(57)【要約】  プラズマＣＶＤにより配向カーボンナノチューブを製造するときに、カーボンナノチューブの成長速度を大きくできる方法を提供する。  カーボンナノチューブの原料となる気体の流通下、減圧された処理室２に設けられたアンテナ６にプラズマを発生させ、基材上に形成された反応防止層と触媒材料層とを備える基板９，１５を、プラズマの発生領域７に対し、ラジカルに副生するイオンの攻撃を避け得ると共に、ラジカルが到達し得る距離に保持する。アンテナ６の先端６ａを、マイクロ波の定在波２７の腹の位置に一致するように制御する。
2011025000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナ型プラズマＣＶＤを用いる配向カーボンナノチューブの製造方法であって、
カーボンナノチューブの原料となる気体の流通下、所定の圧力に減圧された処理室に設けられたアンテナにプラズマを発生させ、基材上に形成された反応防止層と該反応防止層上に形成された触媒材料層とを備える基板を、プラズマの発生領域に対し、該領域で発生したラジカルに副生するイオンの攻撃を避け得る距離であり、該ラジカルがラジカル状態を維持して到達し得る距離を存して保持すると共に、
該アンテナの先端を、マイクロ波の定在波の腹の位置に一致するように制御することを特徴とする配向カーボンナノチューブの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の配向カーボンナノチューブの製造方法において、前記処理室の外部に設けられたマイクロ波印加手段を備え、該処理室は石英窓を介して該マイクロ波印加手段に気密に接続されると共に、前記アンテナは該石英窓に配設されていることを特徴とする配向カーボンナノチューブの製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の配向カーボンナノチューブの製造方法において、前記マイクロ波印加手段は、冷却手段を備えることを特徴とする配向カーボンナノチューブの製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の配向カーボンナノチューブの製造方法において、前記冷却手段は、前記マイクロ波印加手段の内部に設けられた第１の水冷管であることを特徴とする配向カーボンナノチューブの製造方法。
【請求項５】
請求項３記載の配向カーボンナノチューブの製造方法において、前記冷却手段は、前記マイクロ波印加手段の外周に沿って設けられた第２の水冷管であることを特徴とする配向カーボンナノチューブの製造方法。
【請求項６】
請求項１記載の配向カーボンナノチューブの製造方法において、前記基板を６５０〜８００℃の温度に維持することを特徴とする配向カーボンナノチューブの製造方法。
【請求項７】
請求項１記載の配向カーボンナノチューブの製造方法において、前記処理室内の圧力を２．６６〜１３．３３ｋＰａの範囲に保持すると共に、前記プラズマ発生のために印加する電力を６０〜１８０Ｗの範囲に保持することを特徴とする配向カーボンナノチューブの製造方法。
【請求項８】
請求項１記載の配向カーボンナノチューブの製造方法において、前記触媒材料層は、２ｎｍ未満の範囲の厚さを備えることを特徴とする配向カーボンナノチューブの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に成長させた複数のカーボンナノチューブが長手方向に揃った状態で、該基板と交差する方向、例えば垂直方向に配向されている配向カーボンナノチューブの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電界放出用エミッタの多層カーボンナノチューブの合成のための、基板上に垂直方向に配向されている配向カーボンナノチューブの製造方法として、プラズマＣＶＤを用いる方法が知られている（例えば非特許文献１参照）。【０００３】
前記プラズマＣＶＤを用いる方法によれば、プラズマにより形成されるシースによる電界引き上げ効果がカーボンナノチューブの配向性に貢献するものと考えられている。しかし、プラズマＣＶＤを用いる方法では、プラズマの発生領域で炭素ラジカルが発生する一方、該炭素ラジカルに副生するイオンにより基板が攻撃され、成長しつつあるカーボンナノチューブがエッチングされるという問題がある。このため、プラズマＣＶＤを用いる方法は、長尺のカーボンナノチューブを成長させる場合には不利であり、単層カーボンナノチューブは多層カーボンナノチューブよりもエッチングを受けやすいので、さらに不利である。【０００４】
本発明者らは、前記問題を解決するために、アンテナ型プラズマＣＶＤにおいて、プラズマの発生領域に対し、該領域で発生したラジカルに副生するイオンの攻撃を避け得ると共に、該ラジカルがラジカル状態を維持して到達し得る距離に基板を保持する技術を提案している（特許文献１参照）。前記技術において、前記基板は基材上に形成された反応防止層と該反応防止層上に形成された触媒材料層と、これら触媒材料層にさらに分散材料を形成したことを特徴としている。【０００５】
このような構成により、プラズマに由来するイオンの攻撃を避けることができると共に、前記基板が不必要に高い温度に曝されることもないため、触媒の熱凝集を抑制することができる。この結果、長尺の単層カーボンナノチューブからなる配向カーボンナノチューブを製造することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３６５９３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Science, 282, 1105, (1998)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記方法による長尺の単層カーボンナノチューブからなる配向カーボンナノチューブの成長速度は、装置上の制約からプラズマ電力、ガス圧力、温度の印加に対する制限があり、２７０μｍ／時が限界であった。【０００９】
本発明は、かかる事情に鑑み、プラズマＣＶＤにより長尺の単層カーボンナノチューブからなる配向カーボンナノチューブを製造するときに、カーボンナノチューブの成長速度を大きくすることができる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる目的を達成するために、本発明は、アンテナ型プラズマＣＶＤを用いる配向カーボンナノチューブの製造方法であって、カーボンナノチューブの原料となる気体の流通下、所定の圧力に減圧された処理室に設けられたアンテナにプラズマを発生させ、基材上に形成された反応防止層と該反応防止層上に形成された触媒材料層とを備える基板を、プラズマの発生領域に対し、該領域で発生したラジカルに副生するイオンの攻撃を避け得る距離であり、該ラジカルがラジカル状態を維持して到達し得る距離を存して保持すると共に、該アンテナの先端を、マイクロ波の定在波の腹の位置に一致するように制御することを特徴とする。【００１１】
本発明の製造方法では、前記アンテナ型プラズマＣＶＤは、そのアンテナの先端が所定波長（例えば２．４５ＧＨｚ）のマイクロ波の定在波の腹（１／４波長）の位置に一致するように制御される。このようにすることにより、アンテナの先端にのみプラズマを正確に集中させることが可能となり、前記基板上に形成されるカーボンナノチューブの成長速度を増大させることができる。【００１２】
本発明の製造方法においては、前記処理室の外部に設けられたマイクロ波印加手段を備え、該処理室は石英窓を介して該マイクロ波印加手段に気密に接続されると共に、前記アンテナは該石英窓に配設されていることが好ましい。このようにするときには、前記マイクロ波印加手段により印加されるマイクロ波を、大気中から前記減圧下の処理室に前記石英窓を介して低損失で導入することができ、該石英窓部及び前記アンテナでの温度上昇を抑制することができる。この結果、前記アンテナの先端で最も温度を高くすることができ、該アンテナの先端にのみプラズマの発生を正確に集中させることができる。【００１３】
本発明の製造方法においては、前記石英窓及び前記アンテナにおける温度上昇をさらに抑制するために、前記マイクロ波印加手段は、冷却手段を備えることが好ましい。前記冷却手段は、前記マイクロ波印加手段の内部に設けられた第１の水冷管、又は前記マイクロ波印加手段の外周に沿って設けられた第２の水冷管とすることができる。前記第１又は第２の水冷管はどちらか一方だけを設けるようにしてもよいが、前記石英窓における温度上昇を効率よく抑制するためには、両方とも設けることが好ましい。【００１４】
前記冷却手段を備えることにより、前記基板の温度、前記処理室内の圧力、前記プラズマ発生のために印加する電力に対する制限を大幅に緩和することができ、該基板上に形成されるカーボンナノチューブの成長速度をさらに増大させることができる。【００１５】
そこで、本発明の製造方法においては、前記基板を６５０〜８００℃の温度に維持することが好ましい。前記基板の温度が６５０℃未満であるときには、触媒の活性発現が不十分となり、前記カーボンナノチューブの成長速度を十分に増大させることができないことがある。一方、前記基板の温度が８００℃を超えるときには、触媒の熱凝集が顕著となる傾向があり、微細な触媒粒子の肥大化が起こり、細径のカーボンナノチューブを得ることができないことがある。【００１６】
また、本発明の製造方法においては、前記処理室内の圧力を２．６６〜１３．３３ｋＰａの範囲に保持すると共に、前記プラズマ発生のために印加する電力を６０〜１８０Ｗの範囲に保持することが好ましい。【００１７】
前記処理室内の圧力が２．６６ｋＰａ未満であるか、または前記プラズマ発生のために印加する電力が６０Ｗ未満であるときには、前記カーボンナノチューブが成長しないか、または成長速度が著しく小さくなることがある。一方、前記処理室内の圧力が１３．３３ｋＰａを超えるか、または前記プラズマ発生のために印加する電力が１８０Ｗを超えるときには、ラジカルの発生密度が大きくなりすぎることがある。この場合、アモルファスカーボンや他のカーボン種が前記カーボンナノチューブの周囲に付着することとなり、得られるカーボンナノチューブの品質が低下する。【００１８】
さらに、本発明の製造方法において、前記触媒材料層は、２ｎｍ未満の範囲の厚さを備えることが好ましい。前記基板に形成されている前記触媒材料層の厚さが２ｎｍを超える場合には、多層カーボンナノチューブが選択的に成長し、細径の長尺カーボンナノチューブを得ることができないことがある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の製造方法に用いる装置の一構成例を示す説明的断面図。
【図２】本発明の製造方法に用いる装置の他の構成例を示す説明的断面図。
【図３】本発明の製造方法に用いるアンテナ構造の構成例を示す説明的断面図。
【図４】カーボンナノチューブの長さと製造時間との関係を示すグラフ。
【図５】熱処理後の触媒粒子を示す走査型電子顕微鏡写真。
【図６】本発明の製造方法で得られたカーボンナノチューブの一例の走査型電子顕微鏡写真。
【図７】本発明の製造方法で得られたカーボンナノチューブの一例の透過型電子顕微鏡写真。
【図８】本発明の製造方法で得られたカーボンナノチューブの一例のラマンスペクトル。
【図９】本発明の製造方法で得られたカーボンナノチューブの一例のラマンＲＢＭスペクトル。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００２１】
本実施形態の配向カーボンナノチューブの製造方法は、例えば、図１または図２に示す装置により実施することができる。
【００２２】
図１に示すＣＶＤ装置１は、箱形のチャンバー（処理室）２を備える例であり、天井部にカーボンナノチューブの原料となる気体（以下、原料ガスと略記する）を導入する原料ガス導入部３を備えると共に、底部側面にはチャンバー２内のガスを排出するガス排出部４を備えている。ガス排出部４は例えば図示しない真空ポンプに接続されている。また、チャンバー２の天井部には、マイクロ波導波管５及びアンテナ６が備えられており、所定の周波数（例えば２．４５ＧＨｚ）のマイクロ波の印加によりアンテナ６の先端部６ａにプラズマを集中発生させるようになっている。この結果、先端部６の周囲にプラズマ発生領域７が形成される。
【００２３】
チャンバー２内には、マイクロ波導波管５に対向する位置に基板加熱部８が上下動自在に設けられており、基板加熱部８上に基板９が載置されている。ＣＶＤ装置１では、基板加熱部８を上下動させることにより、マイクロ波導波管５直下のプラズマ発生領域７と基板９との距離ｄを調整するようになっている。この結果、距離ｄは、基板９がプラズマ発生領域７に発生したラジカルに副生するイオンの攻撃を避けることができると共に、該ラジカルがラジカル状態を維持して基板９に到達することができる距離に調整される。
【００２４】
また、図２に示すＣＶＤ装置１１は、管状のチャンバー（処理室）１２を備える例であり、チャンバー１２の一方の端部から原料ガスを導入すると共に、他方の端部からチャンバー１２内のガスを排出するようになっている。チャンバー１２のガス排出側の端部は例えば図示しない真空ポンプに接続されている。また、チャンバー１２の原料ガス導入側の端部近傍には、ＣＶＤ装置１と同様のマイクロ波導波管５及びアンテナ６が備えられており、所定の周波数（例えば２．４５ＧＨｚ）のマイクロ波の印加によりアンテナ６の先端部６ａにプラズマを集中発生させるようになっている。この結果、先端部６の周囲にプラズマ発生領域７が形成される。
【００２５】
導入される原料ガスに対し、プラズマ領域７の下流側には、チャンバー１２を挟んで１対の基板加熱部１３ａ，１３ｂが、チャンバー１２の長さ方向に沿ってプラズマ領域７に対して進退自在に設けられている。そして、チャンバー１２内には、基板加熱部１３ｂに対向して基板載置部１４が設けられ、基板載置部１４上に基板１５が載置されている。ＣＶＤ装置１１では、基板加熱部１３ａ，１３ｂを進退させることにより、プラズマ発生領域７と基板１５との距離ｄを調整するようになっている。この結果、距離ｄは、基板１５がプラズマ発生領域７に発生したラジカルに副生するイオンの攻撃を避けることができると共に、該ラジカルがラジカル状態を維持して基板１５に到達することができる距離に調整される。
【００２６】
次に、図３にＣＶＤ装置１，１１のアンテナ６の部分の拡大図を、ＣＶＤ装置１を例として示す。
【００２７】
マイクロ波導波管５はチャンバー２の外部に設けられ、チャンバー２は天井部に設けられた石英窓２１を介してマイクロ波導波管５に接続されている。マイクロ波導波管５は、石英窓２１の外周側にフランジ部５ａを備えており、チャンバー２はフランジ部５ａに配設されたＯリング２２によりマイクロ波導波管５に気密に接続されている。
【００２８】
また、マイクロ導波管５は、内部に軸に沿って水冷管２３を備えており、水冷管２３の先端には石英窓２１を貫通して設けられた雄ねじ部２４にアンテナ６が螺着されている。尚、石英窓２１と水冷管２３とは真空シールにより石英窓２１に気密に接続されている。
【００２９】
さらに、マイクロ導波管５は、その先端部の外周側のフランジ部５ａ上方に水冷管２６を備えている。
【００３０】
ＣＶＤ装置１では、マイクロ波導波管５の外部に設けられたマイクロ波発生装置（図示せず）により、例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波がマイクロ波導波管５に照射されると、アンテナ６の先端部６ａで開放端反射され、進行波と干渉して定在波２７が形成される。定在波２７は石英窓２１の位置が節となる一方、アンテナ６の先端部６ａの位置が腹（１／４波長、長さ３ｃｍに相当）に一致するように正確に制御される。
【００３１】
このとき、前記構成のＣＶＤ装置１によれば、石英窓２１では温度の上昇が抑制される一方、アンテナ６の先端部６ａでは最も温度が高くなるため、アンテナ６の先端部６ａにのみプラズマを正確に集中させることが可能となる。この結果、アンテナ６の先端部６ａの周囲にプラズマ球（プラズマ発生領域）７が形成される。
【００３２】
また、ＣＶＤ装置１ではマイクロ波導波管５の内部に水冷管２３を備えると共に、マイクロ波導波管５の先端部の外周側に水冷管２６を備えることにより、さらに石英窓２１の温度の上昇を抑制し、相対的にアンテナ６の先端部６ａの温度を高くすることができる。水冷管２３，２６による冷却に加え、チャンバー２外からのファンによる空冷を行うと、さらに石英窓２１の冷却効果が増大するので好ましい。
【００３３】
基板９，１５の基材としては、シリコン、ガラス、溶融石英、耐熱セラミックス、耐熱鋼板等を挙げることができる。基板９，１５は、前記基材上に形成された反応防止層と、該反応防止層上に形成された触媒材料層とを備えている。
【００３４】
前記反応防止層は、前記基材と前記触媒材料層との反応を防止するものである。前記反応防止層は、前記基材上にアルミニウム、シリコン、マグネシウム及びこれらの酸化物、またはこれらの複合物等を蒸着させることにより２〜７０ｎｍの範囲の厚さに形成する。前記蒸着は、スパッタ法、抵抗加熱法又は電子ビーム蒸着法等により行うことができる。尚、前記基材上にアルミニウムを蒸着させると、製膜の際におけるチャンバー２，１２内の残留酸素、あるいは製膜後の大気暴露によりアルミニウムが酸化され、酸化アルミニウムからなる反応防止層が形成されるので好都合である。
【００３５】
また、前記触媒材料層は、前記反応防止層上に、鉄、ニッケル、コバルト、パラジウム、白金、イットリウム、ランタン、モリブデン、マンガン、またはこれらの元素を含む合金、酸化物等を蒸着させることにより２ｎｍ未満、例えば０．０２５〜１．５ｎｍの範囲の厚さに形成する。前記蒸着は、スパッタ法、抵抗加熱法又は電子ビーム蒸着法等により行うことができる。
【００３６】
基板９，１５は、さらに、前記触媒材料層上に分散層を備えていてもよい。前記分散層は、前記触媒材料層から生成する触媒粒子を安定して分散させるとともに、粒子径を所望の大きさに規定することができる。前記分散層は、アルミニウム、シリコン、マグネシウム及びこれらの酸化物、又はこれらの複合物等を蒸着させることにより６ｎｍ未満の範囲で、前記触媒材料層の厚さの３倍を超えない範囲の厚さに形成する。前記蒸着は、スパッタ法、抵抗加熱法又は電子ビーム蒸着法等により行うことができる。
【００３７】
本実施形態では、前記ＣＶＤ装置１に基板９を用いるか、またはＣＶＤ装置１１に基板１５を用い、基板を６５０〜８００℃の温度に維持すると共に、チャンバー２，１２内にプラズマを発生させることにより、配向カーボンナノチューブを製造する。このとき、チャンバー２，１２内は、原料ガスを供給しつつ、チャンバー２，１２内のガスを排出することにより減圧され、２．６６〜１３．３３ｋＰａの範囲の圧力に保持される。そして、プラズマ発生のために印加する電力を６０〜１８０Ｗの範囲に保持することにより、長尺で細径のカーボンナノチューブを０．６〜４ｍｍ／時という大きな成長速度で製造することができる。
【００３８】
次に、本発明の実施例及び比較例を示す。
【実施例】
【００３９】
本実施例では図１に示すＣＶＤ装置１を用いて、配向カーボンナノチューブの製造を行った。【００４０】
基板９は、シリコンを基材とし、該基材上にアルミニウムをスパッタ法または抵抗加熱と電子ビームとの併用法により蒸着させ、５〜７０ｎｍの厚さのアルミニウムからなる反応防止層を形成した。また、前記反応防止層上に鉄をスパッタ法または抵抗加熱と電子ビームとの併用法により蒸着させ、０．０２５〜１．５ｎｍの厚さの鉄からなる触媒材料層を形成した。さらに、前記触媒材料層上に分散層を形成する場合には、アルミニウムをスパッタ法、抵抗加熱法又は電子ビーム蒸着法等により蒸着させ、０．０２５〜２ｎｍの厚さのアルミニウムからなる分散層を形成した。【００４１】
基板９を基板加熱部８上に載置し、原料ガス導入部３から原料ガスを導入する一方、ガス排出部４からチャンバー２内のガスを排出して、チャンバー２内を減圧した。前記原料ガスとして、メタン５ｓｃｃｍ、水素４５ｓｃｃｍで流通させ、チャンバー２内の圧力を２．６６ｋＰａから１０．６ｋＰａの範囲に保持した。【００４２】
この状態で、基板加熱部８により基板９を６９０℃〜７４０℃の範囲で加熱し、マイクロ波導波管５から周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波をチャンバー２内に照射し、アンテナ６の先端部６ａにプラズマを発生させた。マイクロ波の出力（プラズマ発生のために印加する電力）は、６０Ｗから１８０Ｗの範囲とし、基板９とプラズマ発生領域７との距離ｄは５０ｍｍとした。尚、マイクロ波の照射は、基板９の温度が室温から前記温度に達してから５分後に行った。【００４３】
それぞれの製造条件により得られたカーボンナノチューブの長さと、製造に要した時間とから、それぞれの製造条件に対するカーボンナノチューブの成長速度を算出した。配向カーボンナノチューブの製造条件と、それぞれの製造条件に対するカーボンナノチューブの成長速度とを表１，２に示す。【００４４】
【表１】
2011025000.tif 000003
【００４５】
【表２】
2011025000.tif 000004
【００４６】
〔比較例〕
本比較例では図１に示すＣＶＤ装置１を用いて、配向カーボンナノチューブの製造を行った。【００４７】
基板9は、シリコンを基材とし、該基材上にアルミニウムをスパッタ法、抵抗加熱法又は電子ビーム蒸着法により蒸着させ、５〜７０ｎｍの厚さのアルミニウムからなる反応防止層を形成した。また、前記反応防止層上に鉄をスパッタ法、抵抗加熱法又は電子ビーム蒸着法により蒸着させ、０．１〜２ｎｍの厚さの鉄からなる触媒材料層を形成した。さらに、前記触媒材料層上に分散層を形成する場合には、アルミニウムをスパッタ法、抵抗加熱法又は電子ビーム蒸着法により蒸着させ、０．２５〜２ｎｍの厚さのアルミニウムからなる分散層を形成した。【００４８】
基板9を基板加熱部8上に載置し、原料ガス導入部３から原料ガスを導入する一方、ガス排出部４からチャンバー２内のガスを排出して、チャンバー２内を減圧した。前記原料ガスとして、メタン５ｓｃｃｍ、水素４５ｓｃｃｍで流通させ、チャンバー２内の圧力を２．６６ｋＰａに保持した。【００４９】
この状態で、基板加熱部８により基板９を６００℃に加熱し、マイクロ波導波管５から周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波をチャンバー２内に照射し、プラズマを発生させた。マイクロ波の出力（プラズマ発生のために印加する電力）は、６０Ｗとし、基板９とプラズマ発生領域７との距離ｄは５０ｍｍとした。尚、マイクロ波の照射は、基板９の温度が室温から前記温度に達してから５分後に行った。【００５０】
それぞれの製造条件により得られたカーボンナノチューブの長さと、製造に要した時間とから、それぞれの製造条件に対するカーボンナノチューブの成長速度を算出した。配向カーボンナノチューブの製造条件と、それぞれの製造条件に対するカーボンナノチューブの成長速度とを表３に示す。【００５１】
【表３】
2011025000.tif 000005
【００５２】
表１〜３から、本比較例の製造方法によれば成長速度が０．２ｍｍ／時以下であるのに対し、本実施例の製造方法によれば０．６〜４ｍｍ／時と格段に優れた効果を奏することが明らかである。【００５３】
次に、（１）実施例のサンプル８と比較例のサンプル３とで得られたカーボンナノチューブの長さと製造時間との関係、（２）実施例のサンプル１４と比較例のサンプル５とで得られたカーボンナノチューブの長さと製造時間との関係、（３）実施例のサンプル１８，１９と比較例のサンプル７とで得られたカーボンナノチューブの長さと製造時間との関係、の３組を図４に示す。前記３組は、組毎にそれぞれ実施例のサンプルと比較例のサンプルとの基板の条件が同一になっている。【００５４】
図４においては、それぞれのラインの傾きがそれぞれの製造条件における成長速度を示している。図４からも、本実施例の製造方法によれば、カーボンナノチューブの成長速度について、格段に優れた効果を得ることができることが明らかである。【００５５】
次に、本実施例に用いた基板と、本比較例に用いた基板とで、形成された触媒粒子を比較した。本実施例のサンプル２４の基板について、表１に記載の温度（６９０℃）に加熱した後、カーボンナノチューブの製造を行うことなく室温に冷却して取り出したものの走査型電子顕微鏡写真を図５（ａ）に示す。また、本比較例のサンプル１０の基板について、表２に記載の温度（６９０℃）に加熱した後、カーボンナノチューブの製造を行うことなく室温に冷却して取り出したものの走査型電子顕微鏡写真を図５（ｂ）に示す。【００５６】
図５（ａ），（ｂ）から、本実施例に用いた基板では、触媒の粒子密度は、１．２×１０１２個／ｃｍ２であったのに対し、本比較例に用いた基板では２×１０１１個／ｃｍ２であった。この結果より、触媒材料層の厚さを２ｎｍ未満とすることにより、触媒の粒子径を小さくすることができ、かつ製造されるカーボンナノチューブの面密度に直接関係する触媒の粒子密度を大きくすることができることが明らかである。【００５７】
次に、本実施例のサンプル１７の製造条件で得られたカーボンナノチューブの走査型電子顕微鏡写真を図６に、本実施例のサンプル１０の製造条件で得られたカーボンナノチューブの透過型電子顕微鏡写真を図７に、それぞれ示す。図６よりカーボンナノチューブが基板に対し垂直方向に長尺化していることが明らかである。また、図７より、本実施例の方法により製造されるナノチューブは細径の単層カーボンナノチューブが多く含まれることが明らかである。【００５８】
次に、本実施例のサンプル１１の製造条件で得られたカーボンナノチューブのラマンスペクトル（励起波長６３２．８ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザーにて測定）を図８に示す。図８によれば、１６００ｃｍ−１付近にグラファイト網面に由来するＧバンドが観察され、１５５０ｃｍ−１付近に細径金属チューブに由来するＢＷＦピークが観察され、１３００ｃｍ−１付近に欠陥に由来するＤバンドが形成される。さらに、１００〜４５０ｃｍ−１の範囲に単層カーボンナノチューブ等の径の細いチューブに由来するＲＢＭピークが観察される。従って、図８から、本実施例のサンプル１１の製造条件で得られたカーボンナノチューブは径が細く、単層カーボンナノチューブを多く含むものであることが明らかである。【００５９】
次に、本実施例のサンプル９の製造条件で得られたカーボンナノチューブのラマンＲＢＭスペクトルを図９に示す。図９によれば、１００〜４５０ｃｍ−１の範囲に明確なピークが観察され、平均直径２ｎｍ以下の細径の単層カーボンナノチューブの存在が示唆される。
【符号の説明】
【００６０】
１，１１…ＣＶＤ装置、  ２，１２…処理室、  ６…アンテナ、  ６ａ…先端部、  ７…プラズマ発生領域、  ９，１５…基板。
【図１】
2011025000.tif 000006
【図２】
2011025000.tif 000007
【図３】
2011025000.tif 000008
【図４】
2011025000.tif 000009
【図８】
2011025000.tif 000010
【図９】
2011025000.tif 000011
【図５】
2011025000.tif 000012
【図６】
2011025000.tif 000013
【図７】
2011025000.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成23年6月30日(2011.6.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナ型プラズマＣＶＤ装置を用いる配向カーボンナノチューブの製造方法であって、
該ＣＶＤ装置は、処理室と、該処理室の外部に設けられたマイクロ波印加手段とを備え、該処理室は石英窓を介して該マイクロ波印加手段に気密に接続され、該マイクロ波印加手段は、内部に第１の水冷管を備え、該石英窓はアンテナを備え
カーボンナノチューブの原料となる気体の流通下、所定の圧力に減圧された該処理室に、該石英窓を介して該マイクロ波印加手段により印加されるマイクロ波を導入することによりアンテナにプラズマを発生させ、
基材上に形成された反応防止層と該反応防止層上に形成された触媒材料層とを備える基材を、プラズマの発生領域に対し、該領域で発生したラジカルに副生するイオンの攻撃を避け得る距離であり、該ラジカルがラジカル状態を維持して到達し得る距離を存して保持すると共に、
該アンテナの先端を、マイクロ波の定在波の腹の位置に一致するように制御することを特徴とする配向カーボンナノチューブの製造方法。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
請求項１記載の配向カーボンナノチューブの製造方法において、前記マイクロ波印加手段は、外周に沿って設けられた第２の水冷管を備えることを特徴とする配向カーボンナノチューブの製造方法。
【請求項６】
請求項１記載の配向カーボンナノチューブの製造方法において、前記基板を６５０〜８００℃の温度に維持することを特徴とする配向カーボンナノチューブの製造方法。
【請求項７】
請求項１記載の配向カーボンナノチューブの製造方法において、前記処理室内の圧力を２．６６〜１３．３３ｋＰａの範囲に保持すると共に、前記プラズマ発生のために印加する電力を６０〜１８０Ｗの範囲に保持することを特徴とする配向カーボンナノチューブの製造方法。
【請求項８】
請求項１記載の配向カーボンナノチューブの製造方法において、前記触媒材料層は、２ｎｍ未満の範囲の厚さを備えることを特徴とする配向カーボンナノチューブの製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
［０００５］
このような構成により、プラズマに由来するイオンの攻撃を避けることができると共に、前記基板が不必要に高い温度に曝されることもないため、触媒の熱凝集を抑制することができる。この結果、長尺の単層カーボンナノチューブからなる配向カーボンナノチューブを製造することができる。
先行技術文献
特許文献
［０００６］
特許文献１：特開２００６−３６５９３号公報
非特許文献
［０００７］
非特許文献１：Ｓｃｉｅｎｃｅ，２８２，１１０５，（１９９８）
発明の概要
発明が解決しようとする課題
［０００８］
しかしながら、前記方法による長尺の単層カーボンナノチューブからなる配向カーボンナノチューブの成長速度は、装置上の制約からプラズマ電力、ガス圧力、温度の印加に対する制限があり、２７０μｍ／時が限界であった。
［０００９］
本発明は、かかる事情に鑑み、プラズマＣＶＤにより長尺の単層カーボンナノチューブからなる配向カーボンナノチューブを製造するときに、カーボンナノチューブの成長速度を大きくすることができる方法を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
［００１０］
かかる目的を達成するために、本発明は、アンテナ型プラズマＣＶＤ装置を用いる配向カーボンナノチューブの製造方法であって、該ＣＶＤ装置は、処理室と、該処理室の外部に設けられたマイクロ波印加手段とを備え、該処理室は石英窓を介して該マイクロ波印加手段に気密に接続され、該マイクロ波印加手段は、内部に第１の水冷管を備え、該石英窓はアンテナを備え、カーボンナノチューブの原料となる気体の流通下、所定の圧力に減圧された該処理室に、該石英窓を介して該マイクロ波印加手段により印加されるマイクロ波を導入することによりアンテナにプラズマを発生させ、基材上に形成された反応防止層と該反応防止層上に形成された触媒材料層とを備える基材を、プラズマの発生領域に対し、該領域で発生したラジカルに副生するイオンの攻撃を避け得る距離であり、該ラジカルがラジカル状態を維持して到達し得る距離を存して保持すると
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
共に、該アンテナの先端を、マイクロ波の定在波の腹の位置に一致するように制御することを特徴とする。
［００１１］
本発明の製造方法では、前記アンテナ型プラズマＣＶＤ装置は、そのアンテナの先端が所定波長（例えば２．４５ＧＨｚ）のマイクロ波の定在波の腹（１／４波長）の位置に一致するように制御される。このようにすることにより、アンテナの先端にのみプラズマを正確に集中させることが可能となり、前記基板上に形成されるカーボンナノチューブの成長速度を増大させることができる。
［００１２］
本発明の製造方法においては、前記処理室の外部に設けられたマイクロ波印加手段を備え、該処理室は石英窓を介して該マイクロ波印加手段に気密に接続されると共に、該石英窓は前記アンテナを備えている。このようにするときには、前記マイクロ波印加手段により印加されるマイクロ波を、大気中から前記減圧下の処理室に前記石英窓を介して低損失で導入することができ、該石英窓部及び前記アンテナでの温度上昇を抑制することができる。この結果、前記アンテナの先端で最も温度を高くすることができ、該アンテナの先端にのみプラズマの発生を正確に集中させることができる。
［００１３］
本発明の製造方法においては、前記石英窓及び前記アンテナにおける温度上昇を効率よく抑制するために、前記マイクロ波印加手段は、第１の水冷管を備える。また、前記マイクロ波印加手段は、外周に沿って設けられた第２の水冷管を備えることができる。前記石英窓における温度上昇を効率よく抑制するためには、前記第１及び第２の水冷管を両方とも設けることが好ましい。
［００１４］
前記第１、第２の水冷管を備えることにより、前記基板の温度、前記処理室内の圧力、前記プラズマ発生のために印加する電力に対する制限を大幅に緩和することができ、該基板上に形成されるカーボンナノチューブの成長速度を増大させることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
る電力）は、６０Ｗとし、基板９とプラズマ発生領域７との距離ｄは５０ｍｍとした。尚、マイクロ波の照射は、基板９の温度が室温から前記温度に達してから５分後に行った
［００５０］
それぞれの製造条件により得られたカーボンナノチューブの長さと、製造に要した時間とから、それぞれの製造条件に対するカーボンナノチューブの成長速度を算出した。配向カーボンナノチューブの製造条件と、それぞれの製造条件に対するカーボンナノチューブの成長速度とを表３に示す。
［００５１］
［表３］
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［００５２］
表１〜３から、本比較例の製造方法によれば成長速度が０．２ｍｍ／時以下であるのに対し、本実施例の製造方法によれば０．６〜４ｍｍ／時と格段に優れた効果を奏することが明らかである。
［００５３］
次に、（１）実施例のサンプル８と比較例のサンプル３とで得られたカーボンナノチューブの長さと製造時間との関係、（２）実施例のサンプル１４と比較例のサンプル５とで得られたカーボンナノチューブの長さと製造時間との関係、（３）実施例のサンプル１８，１９と比較例のサンプル７とで得られたカーボンナノチューブの長さと製造時間との関係、の３組を図４に示
【国際調査報告】
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